次世代ガンマ線望遠鏡CTAのためのSiPMの開発とその性能評価	

山根暢仁,田島宏康,	  奥村曉,	  朝野彰,	  中村裕樹,	  日高直哉,	  他 CTA-­‐Japan	  consor/um	  名大ISEE	  
画像提供：CTA	  Consor/um	
2017年春季物理学会3月20日大阪大学（豊中キャンパス）	

Cherenkov	  Telescope	  Array（CTA）	
Völk,	  H.J.	  and	  Bernlöhr,	  K.	  2009	¨¨

次世代の地上ガンマ線望遠鏡。	  

ガンマ線	

暗黒物質探査、宇宙線の起源と	  加速機構の解明などが期待される。	

電磁シャワー	
チェレンコフ光	種類	

口径	台数	

観測エネルギー	 視野	

大口径望遠鏡	 23	  m	 4台（北・南半球）	  20—200	  GeV	  	4.5°	

中口径望遠鏡	 12	  m	15台（北半球）	  24台（南半球）	

0.1—10	  TeV	

7.7°	

小口径望遠鏡	 4	  m	70台（南半球）	

5—300	  TeV	9.6°	

17/03/13	2	

小口径望遠鏡	
ガンマ線	¨

カメラに搭載する光検出器は半導体光電子増倍素子を予定。	  
¤¨

高い光検出効率、高い耐久性、低い印加電圧、費用の低減	  電磁シャワー	
チェレンコフ光	チェレンコフ光以外に夜光（大気光や星光）がバックグラウン
ドとしてカメラに入射する。	  

主鏡	  :	  4m	the	  CTA	  Consor/um	

副鏡	  :	  2m	2048ピクセル	
カメラ：0.4m	

17/03/13	

3	

半導体光電子増倍素子（SiPM）	
1ピクセル	  （〜6	  mm）	1増幅セル	  （〜75	  µm）	ノイズ特性	  ¨オプティカルクロストーク（以後、クロストークと呼ぶ）	  ¤

入射光子	

¨

ダークカウント	  ¨アフターパルス	  ガンマ線イベント	

波高値	

増幅セル	

検出光電子数を誤計数してしまう	  クロストークによって増幅	閾値	
夜光	

夜光は数nsで1ピクセルに1光子相当入射	時間	

17/03/13	4	本研究の目的	
¨

¨

¨

低エネルギーのガンマ線を検出するためには、高い光検出効率と低いクロストーク発生確率が必要。	  

光検出効率	

この二つは相関関係をもち、光検出効率を高くすると、クロストーク発生確率も高くなる。	  
これらの電圧依存性はSiPMによって違うた
め、複数のSiPMを比較して最適な動作点を決定する必要がある。	  

クロストーク発生確率	

印加電圧 [V]	

CTAのカメラにSiPMを採用する際に重要な、光検出効率と	  クロストーク発生確率に関するデータを揃える。	  
本研究のデータを使い、シミュレーションや実地試験によってSiPMの選定と動作電圧を決定する。	  
17/03/13	

5	

確率	

光検出効率の評価と測定系	
SiPMに一定の光を照射した時の平均検出光電子数を比較することで光検出効率を相対的に評価する。	  

P(0)	
P(1)	

P(2)	

P(3)	

波高値	

λ k e− λP(k) =k!

P(k)：k個の光電子を検出する確率	  λ：平均検出光電子数	

P(0) = e− λ¨¨

∴ λ = −log P(0)LEDにパルス信号を入力し、一定の微弱光を照射する。	  
SiPMの出力波形をオシロスコープで記録し、波高分布を作る。	  

17/03/13	

6	

確率	

クロストークの評価	
P(0)	

¨

P(1)	

P(2)	

P(3)	

¨

¨

SiPMに光を照射しない時、1光電子以上の波形は全てダークカウント。	  
ダークカウントとは熱励起によってランダムに出力する波形。	  
2光電子以上検出する確率で近似式を立て、クロストーク発生確率を算出する。	

波高値	

N(Rcrosstalk =N(

1.5 p.e.)
0.5 p.e.)

Rcrosstalk：クロストーク発生確率	  N(≥0.5	  p.e.)：波高分布で0.5光電子相当の波高	  	  値以上の波高値を持つ確率	  N(≥1.5	  p.e.)：波高分布で1.5光電子相当の波高	  	  値以上の波高値を持つ確率	  17/03/13	

7	測定したSiPM	¨

浜松ホトニクス社	  ¤¤¤¤¨

浜松ホトニクス	

S12572-­‐050C（参照用）	  光量モニターに使用。光検出効率を絶対値に変換する際に使用。	   増幅セル	
S13360-­‐**-­‐CS（低クロストーク版（シリコーン））	  参照用SiPMの改良版。増幅セル間に溝を作り、クロストークを低減。	  
フィルファクターを改善。	  
S13360-­‐3050-­‐VE（低クロストーク版（エポキシ））	  入射窓がエポキシの低クロストーク版SiPM。	  
これ以外の浜松ホトニクス社のSiPMはシリコーンが入射窓。	  
S14161-­‐**-­‐CS（低電圧版）	  フィルファクター	  =/低クロストーク版SiPMの改良版。増幅セルの厚さを薄くして	  光検出効率に影響	電場勾配を大きくし、低い印加電圧で高い光検出効率を獲得。	  

SensL社、FBK社	  ¤¤SensL		  FBK	MicroFJ-­‐SMA-­‐60035（SensL）	  SensL社のSiPM。入射窓はガラス。	  
NUV-­‐HD（FBK）	  FBK社のSiPM。入射窓なし。	  
17/03/13	

8	PDE [%]光検出効率	

光検出効率の電圧依存性@ 400	  nm	6055低電圧版	

参照用（50	  µm	  3	  mm）	  REF-50-3	  低クロストーク版（50	  LCT5-50-3 µm	  3	  mm）	  50	  低クロストーク版（50	  LCT5-50-6 µm	  6	  mm）	  	  45エポキシ版（50	  µm	  3	  mm）	  LCT5E-50-3

低クロストーク版		  40低クロストーク版（75	  LCT5-75-3 µm	  3	  mm）	  	  低クロストーク版（75	  LCT5-75-6 µm	  6	  mm）	  35	  低電圧版（50	  LVR-50-3µm	  3	  mm）	  	  参照用	  30低電圧版（50	  LVR-50-6µm	  6	  mm）	  	  25低電圧版（50	  LVR-50-7µm	  7	  mm）	  20低電圧版（75	  LVR-75-6µm	  6	  mm）	  	  	  SensL（35	  µm	  6	  mm）	  FJ-35-6	  15100FBK（30	  µm	  6	  mm）	  NUV-30-6
2468101214

動作電圧	 [V]
Overvoltage
17/03/13	

9	Crosstalk Rate [%]クロストーク発生確率	

クロストーク発生確率の電圧依存性@400	  nm	40

参照用（50	  µm	  3	  mm）	  REF-50-335	  参照用	  低クロストーク版（50	  LCT5-50-3 µm	  3	  mm）	  	  30低クロストーク版（50	  LCT5-50-6 µm	  6	  mm）	  	  エポキシ版（50	  µm	  3	  mm）	  LCT5E-50-3	  25低クロストーク版（75	  LCT5-75-3 µm	  3	  mm）	  低電圧版		  低クロストーク版（75	  LCT5-75-6 µm	  6	  mm）	  20	  低電圧版（50	  LVR-50-3µm	  3	  mm）	  	  低電圧版（50	  LVR-50-6µm	  6	  mm）	  15	  低電圧版（50	  LVR-50-7µm	  7	  mm）	  	  10低電圧版（75	  LVR-75-6µm	  6	  mm）	  	  00SensL（35	  µm	  6	  mm）	  FJ-35-6低クロストーク版	

5246810	  FBK（30	  µm	  6	  mm）	  NUV-30-61214Overvoltage
動作電圧	 [V] 17/03/13	10	Crosstalk Rate [%]クロストーク発生確率	

クロストーク発生確率の電圧依存性@400	  nm	403530

REF-50-3
参照用（50	  µm	  3	  mm）	  入射窓の厚さ、ピクセル周りの構造の違いを調査する必要がある	  	  LCT5-50-3 µm	  3	  mm）	  低クロストーク版（50	  	  低クロストーク版（50	  LCT5-50-6 µm	  6	  mm）	  	  エポキシ版（50	  µm	  3	  mm）	  LCT5E-50-3	  25低クロストーク版（75	  LCT5-75-3 µm	  3	  mm）	  低クロストーク版	  （エポキシ）	

20	  低クロストーク版（75	  LCT5-75-6 µm	  6	  mm）	  	  低電圧版（50	  LVR-50-3µm	  3	  mm）	  	  15低電圧版（50	  LVR-50-6µm	  6	  mm）	  	  1.35倍以上	低電圧版（50	  LVR-50-7µm	  7	  mm）	  	  10500低電圧版（75	  LVR-75-6µm	  6	  mm）	  	  低クロストーク版（シリコーン）	
246810SensL（35	  µm	  6	  mm）	  FJ-35-6	  FBK（30	  µm	  6	  mm）	  NUV-30-61214Overvoltage
動作電圧	 [V] 17/03/13	11	光検出効率	
PDE [%]

光検出効率とクロストーク発生確率の関係@400	  nm	6055

低電圧版（50	  µm	  3	  mm）	 低電圧版（75	  µm	  6	  mm）	〜53%	〜51%	

REF-50-3
参照用（50	  µm	  3	  mm）	  	  LCT5-50-3 µm	  3	  mm）	  低クロストーク版（50	  50	  LCT5-50-6 µm	  6	  mm）	  低クロストーク版（50	  45	  エポキシ版（50	  µm	  3	  mm）	  LCT5E-50-3	  40低クロストーク版（75	  LCT5-75-3 µm	  3	  mm）	  	  低クロストーク版（75	  LCT5-75-6 µm	  6	  mm）	  35	  低電圧版（50	  LVR-50-3µm	  3	  mm）	  	  30低電圧版（50	  LVR-50-6µm	  6	  mm）	  	  25低電圧版（50	  LVR-50-7µm	  7	  mm）	  20低電圧版（75	  LVR-75-6µm	  6	  mm）	  15100	  	  SensL（35	  µm	  6	  mm）	  FJ-35-6	  2%の光検出効率の差に対し、クロストーク発生確率を半分以下に	  FBK（30	  µm	  6	  mm）	  NUV-30-6に抑えることができる低電圧版（50	  µm	  3	  mm）が採用候補として有力	  510152025303540

クロストーク発生確率	
Crosstalk Rate [%]17/03/13	12	光検出効率	
PDE [%]

光検出効率とクロストーク発生確率の関係@400	  nm	6055

低電圧版ではピクセルサイズによって光検出効率が異なっているが、光検出効率はピクセルサイズに依存しないはず	  3	  mm	6	  mm	
7	  mm	5045

REF-50-3
参照用（50	  µm	  3	  mm）	  	  LCT5-50-3 µm	  3	  mm）	  低クロストーク版（50	  	  LCT5-50-6 µm	  6	  mm）	  低クロストーク版（50	  	  エポキシ版（50	  µm	  3	  mm）	  LCT5E-50-3	  40低クロストーク版（75	  LCT5-75-3 µm	  3	  mm）	  	  低クロストーク版（75	  LCT5-75-6 µm	  6	  mm）	  35	  低電圧版（50	  LVR-50-3µm	  3	  mm）	  	  30PDE = QE × Ffill × Pa

25	  低電圧版（50	  LVR-50-7µm	  7	  mm）	  	  低電圧版（75	  LVR-75-6µm	  6	  mm）	  	  QE:量子効率	  Fﬁll:フィルファクター	  Pa:アバランシェ発生確率	  2015100

低電圧版（50	  LVR-50-6µm	  6	  mm）	  5101520SensL（35	  µm	  6	  mm）	  FJ-35-6	  FBK（30	  µm	  6	  mm）	  NUV-30-625303540

クロストーク発生確率	
Crosstalk Rate [%]17/03/15	13	低電圧版SiPMの光検出効率の検証	¨¨

ピクセルサイズ3	  mm,	  6	  mm,	  7	  mmの低電圧版SiPMに連続光を当てて電流値を測定。	  
クロストーク、ダークカウント、アフターパルスの影響を補正。	  

I=( ION − IOFF )" 1 %$' (1+ Ra )# 1− Rc &ION：LEDを照射した時の電流値	  IOFF：LEDを照射していない時の電流値	  Rc：クロストーク発生確率	  Ra:アフターパルス発生確率	  クロストーク	

アフターパルス	

電流値	

3	  mm	

15%	

5.1%	

31.1	  ±	  0.1	  µA	6	  mm	

22%	

7.2%	

34.4	  ±	  0.2	  µA	7	  mm	

18%	

6.0%	

29.4	  ±	  0.1	  µA	解析結果と異なる	
17/03/15	

14	まとめと今後の展望	
¨

¨

¨

¨

¨

次世代地上ガンマ線望遠鏡として、CTA計画を進める中、我々は小口径望遠鏡の開発を行っている。	  
小口径望遠鏡のカメラに搭載する光検出器にはSiPMを予定しており、低エネルギーガンマ線の検出感度と検出効率の向上に向けて、SiPMの光検出効率と	  クロストーク発生確率を評価した。	  
波長400	  nmの測定結果によると、クロストーク発生確率が20%以下と20%以上で光検出効率が最大となるSiPMが二つ存在したが、本研究では浜松ホトニクス社の低電圧版SiPMを採用候補として結論づけた。	  
低電圧版SiPMでは、ピクセルサイズによって光検出効率が異なっており、	  今後原因を詳しく調査する必要がある。	  
本研究のデータを使い、シミュレーションや実地試験によるSiPMの選定と	  動作電圧決定が期待される。	  

17/03/13	

15